炮台打靶模拟系统的研制摘要：设计并实现了一种能够手动和自动瞄准的炮台打靶系统，通过激光器代替炮弹模拟打靶过程。
该系统分为电子靶和炮台两部分，其中电子靶以STC12C5604AD微处理器为核心，采用光敏电阻阵列捕获炮台的命中情况；炮台部分以MCF52255微处理器为核心，可通过电机带动激光器水平和垂直转动，采用摇杆实现手动瞄准，使用摄像头识别靶心实现自动瞄准。
实验表明，该系统可快速完成瞄准，并实时显示和播报打靶结果；自动打靶环数为9～10环，具有很高精度。
关键词：炮台打靶自动瞄准电子靶摄像头随着电子技术的发展，人们对生产和生活中各种设备的自动化程度要求越来越高，能否简单迅速地对远处目标进行定位并执行相应的控制步骤，是衡量设备自动控制水平的一项重要指标[1]。
该文是2012年黑龙江省大学生电子设计竞赛设置的题目之一，充分体现了定位控制技术的重要意义。
赛题要求炮台打靶模拟系统具有炮台和电子靶两部分。
采用红色激光笔代替火炮，通过电机控制激光笔沿水平和竖直方向转动，实现瞄准功能。
电子靶的中心环数是10环，最外圈是6环，共五个环数等级。
中心10环的直径为1?cm，其他环相邻的两环半径差为1cm，整个靶面为17cm的正方形，不准利用靶环区引导炮塔。
炮台与电子靶水平相距2～3m，竖直距离在1m之内，且二者之间不能通信。
能够通过手动和自动两种方式实现炮台的瞄准射击功能，电子靶在被击中后能够迅速地显示并播报相应环数和总环数。
该文所完成的装置获2012年黑龙江省大学生电子设计竞赛一等奖。
1 系统方案设计炮台打靶模拟系统分为电子靶和炮台两部分，彼此间没有电气连接，下文将对这两部分设计方案分别介绍。
1.1 电子靶方案设计对于电子靶而言，需要完成检测、处理、显示、播报等环节，为了保证系统的可靠性和灵活性，采用多模块结构完成这些功能，将检测处理功能和显示播报功能分别用一个单片机控制实现。
当特定的靶环上有激光照射时，一个单片机检测到传感器输出信号的变化并判断出被击中的环数后，将该环数传给另一片单片机，由其控制完成环数的语音播报和数码显示。
电子靶的结构框图如图1所示。
在设计出电子靶的整体系统后，优化电子靶面传感器排布的问题成为了关键。
光敏电阻具有光照下阻值显著减小的特性[2]。
在靶环区放置光敏电阻并分别按环并联，将并联后的各组电压值送到比较器的一端，通过给比较器另一端设置合适的阈值电压，就可以检测出哪一环有激光照射。
图2所示为电子靶示意图及靶面传感器排布设计图。
在图2(b)中，由于红色激光炮的光源是点光源，直接打在电阻环上的着落面积很小，因此若要实现靶面上传感器排布无盲区，就需要数量很多的光敏电阻。
如图2(b)所示，用白纸将靶罩住，使点光源发生散射从而增大激光在靶面上的照射面积，能有效地减少光敏电阻数量。
由于光敏电阻对日光也同样敏感，在日光较强时容易造成误判，为此在白纸下放置多层红色滤光纸遮挡电子靶以减少照射到光敏电阻的日光强度而不影响激光炮所发出红色光束的透射，可提高系统抗环境干扰能力。
对于环与环之间的干扰问题，使用黑色卡纸按照电子靶各环的边界大小制成2?cm高的隔栅将每一环的光敏电阻隔开，如图2(d)所示。
此外，为了防止并联在一起的电阻过多阻值变小而缩短了光敏电阻两端电压变化范围，导致激光照射时电压变化不明显，我们将最外圈两环各分成两组，其余电阻数量较少的环可以每环并联成一组。
图3为整个靶面的传感器分布情况，其中靶环区的每个小圆形代表一个光敏电阻，相同图案的光敏电阻并联成一组，两个红外发光管的作用是炮台定位引导。
1.2 炮台方案设计炮台瞄准要求有手动和自动两种方式，其总体结构框图如图4所示。
手动瞄准使用摇杆控制。
摇杆具有两个滑动变阻器，当其在横、竖两个方向转动不同角度时，相应方向上的滑动变阻器的输电压值也会随之改变。
通过辅助单片机对这两组电压值进行AD采集，并转化成的数字信号送入核心单片机进行分析，从而控制两个减速电机的转向和转速以改变炮台位置；同时，使用辅助单片机检测发射按键是否按下，从而实现炮台发炮的控制。
自动控制部分选用摄像头作为图像传感器，固定摄像头使之与激光炮的方向相同。
正常情况下，摄像头视野内各种颜色的景物和光线会大大增加图像分析的难度，因此，我们使用红外光透镜遮住摄像头，使其只对红外光线敏感。
如图3所示在电子靶上布置有两个红外发光管，则在普通光照条件下整个摄像头采集的图像中仅有发光管处为两个亮点，其余部分均为较深的暗色。
如图5所示为摄像头采集到的图像示意图，当两个红外管图像所定位的靶心O’偏离摄像头中心O 时，通过单片机控制电机转动来调整摄像头角度，最终使图中O点和O’点重合，则视为瞄准成功，进而完成后续的控制激光器发射“炮弹”操作。
2 硬件设计系统的整体硬件由两部分组成，其中电子靶部分包括用于采集信号和控制显示播报的STC12C5604AD单片机最小系统电路、电子靶面的光敏电阻和炮台的自动定位引导装置、比较器电路、数码显示模块、SD语音模块、音频功放电路；炮台部分由MCF52255单片机系统电路、电机驱动、摇杆及其AD转换电路以及OV7620摄像头及其控制电路等几个模块组成[3-5]。
为方便系统制作，语音模块和摄像头模块采用购买的已集成好的电路。
如前面图4的炮台系统总体结构所示，其中STC12C5604AD芯片为辅助单片机，使用其片内集成的8位AD采集摇杆电位信号，并判断手动发炮按键是否按下。
Coldfire系列的MCF52255单片机为核心单片机，它作为整个炮台部分的总处理器，用来处理图像、驱动减速电机以实现激光炮瞄准和执行射击操作。
2.1 电子靶整体硬件电路设计如图1所示，当某一靶环上有激光照射时，该环上光敏电阻传感器两端的电压信号会发生变化，与之相接的LM393比较器电路的输出电平也随之改变，使用一片STC12C5604AD的I/O端口检测比较器的输出信号并判断出击中的环数后，将所得环数信息传给另一片STC12C5604AD，由其通过串行通信控制SD语音模块进行相应的环数播报，并使用一组8位I/O端口控制74LS47译码器电路从而通过共阳极数码管显示环数及总环数，根据题目要求最多显示两位数即可。
两片单片机之间通过芯片自带的串行通信端口实现通信。
2.2 电机控制部分电路减速电机的驱动电路如图6所示。
BTS7960B为半桥驱动芯片，电机接在其OUT1和OUT2两端；74ALS244芯片为单片机和驱动芯片之间提供缓冲。
EN为驱动使能信号；ERO1和ERO2用于对两个芯片进行电流检测；输入控制信号IN1、IN2中一个是占空比可调的PWM波，另一个保持低电平，可以灵活改变电机转动方向和电机转速。
2.3 音频功放电路由于语音模块本身的输出非常微弱，本文采用音频功放电路作为SD语音模块的后级电路，可以将声音信号进行有效地放大。
本系统使用TI公司生产的OPA2134芯片作为前级运放，用于将语音模块音频输出的电压进行放大。
再将放大后的信号传给由音频功放芯片LM4890构成的次级电路，其输出送入扬声器，完成语音播报。
电路原理图如图7所示。
通过调节图7中的滑动变阻器R6，可以改变运放的放大倍数。
此外，由于本系统中OPA2134芯片为单电源供电，故使用电阻R2～R5为两个输入端提供2.5?V的虚拟地以防止信号失真。
为了滤除由于虚拟地的存在而产生的直流成分，在LM4890功放电路输入端加上电容C1以起到隔直通交的作用。
3 软件设计3.1 电子靶软件设计电子靶的软件设计分为靶面被击中环数的识别程序和播报显示环数功能的控制程序两部分，分别由一片STC单片机控制实现。
靶环区七组光敏电阻连接的比较器电路构成一组七位的返回值，使用前级单片机STC12C5604AD(1)的七个I/O管脚读取该值并与无激光照射下的返回值进行逐位比较，从而判断哪一环被击中。
若有两环同时被激光照射，则选取数值较大的一环。
前级单片机还计算出击中的总环数，并将环数信号通过串行通信传给后级单片机STC12C5604AD(2)。
其软件流程图如图8(a)所示。
后级单片机在接收到环数和总环数后，计算出环数的个位、十位，将其转换成相应的十六进制数字通过I/O管脚输出，控制数码显示，同时使用串行通信端口控制语音模块播报。
图8(b)为后级单片机的软件流程图。
需要注意的是，在前级单片机发出环数信号供后级选中一段音频后，要经过足够的延时待其播放完毕，前级才能继续发送下一环数信号。
使用SD语音模块时，将音频文件按照特定的编号形式命名并以MP3格式存储在SD卡中，通过输入文件名即可播放相应的语音。
本系统根据设计需要，将数字“0”～“10”、“总”、“环”、“数”和击中提示音的MP3文件存入SD卡，播报时只需以此选择与十位、个位数字对应的音频文件，再根据情况判断是否需要播报击中提示音和“总环数”即可。
3.2 炮台软件设计手动瞄准时，通过辅助单片机的AD中断功能完成对摇杆电压信号进行模数转换。
将转换得到的反映横竖两方向运动状态的两组数字信号按照一定算法组合成一个8位的二进制数据，并送入MCF52255单片机进行分析，进而控制电机的驱动。
发射按键则是通过一个输入的I/O管脚对其进行循环查询。
摇杆做前后、左右转动时，炮台分别做竖直、水平运动。
在自动瞄准情况下，由于红外透镜的滤光作用，外界环境的彩色图像被摄像头采回后变为具有不同灰度的图像，这就大大简化了图像返回值的复杂程度。
由于其中有用的信息仅为红外发光管对应的像素点，通过SCCB总线协议对摄像头的控制寄存器进行设置，改变其曝光时间，可以使采集图像中除红外发光管区域外其它全为黑色。
将各个像素点与预先设定好的阈值比较，使得黑色区域的返回值为0xFF，白色区域(红外发光管区域)的返回值为0x00。
设定相应的算法，便可以根据两个0x00区域的位置确定靶心位置，进而控制电机带动摄像头瞄准靶心。
炮台程序的流程图如图9所示。
4 实验测试对本系统进行测试，可以得到如下结果。
(1)在距离2～3?m位置时，手动打靶受人为瞄准因素影响较大，10次打靶中1次击中10环，4次击中9环，5次击中八环。
同样距离范围内，10次自动打靶，其中2次击中10环，8次击中9环。
可见，本文设计的模拟打靶系统具有很高的打靶精度。
(2)炮台可在水平方向上与靶面中垂线成-90～90?°夹角的范围内自动搜索电子靶并瞄准，且能执行相应的发出提示音、射击以及示意完成等操作。
电子靶可正确地显示打靶环数及总环数。
系统完成搜索、瞄准、延迟、射击、显示、播报等功能所需的时间均不超过60?s。
(3)移动固定电子靶的三脚架，可以在0～1?m范围内任意设置靶心与炮台的竖直距离。
实际结果表明，本系统可以成功搜索到不同相对高度的靶心。
5 结语本文通过结合光传感器和摄像头设计了炮台打靶模拟系统，能够快速瞄准电子靶并实现打靶功能，自动打靶精度在9环以上，具有较高的可靠性和稳定性。
